| 标题 | 隧道浅埋段施工预防坍塌研究及综合处理技术研究 |
| 范文 | 白增明 摘要：进行隧道浅埋段施工时，常出现坍塌的现象，本文对浅埋隧道围岩稳定或坍塌的机理及原因进行了研究及分析，提出了隧道浅埋段施工防坍塌的综合处理技术方案，以确保施工能够顺利进行，为浅埋隧道的施工带来参考价值。 Abstract： In the shallow buried section construction of tunnels， the collapse phenomenon often occurs. This paper studies and analyzes the mechanism and causes of the stability or collapse of surrounding rock in shallow tunnels， and proposes a comprehensive treatment scheme for the anti-collapse of shallow tunnels， to ensure the smooth progress of the construction and provide reference value for the construction of shallow tunnels. 关键词：隧道浅埋段；围岩坍塌；平衡拱；技术方案 Key words： shallow buried section of tunnel；surrounding rock collapse；balance arch；technical solution 中图分类号：U452.1+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0132-03 0 引言 随着我国铁路、公路等交通基建工程的迅猛发展，在施工中经常遇到浅埋隧道，在浅埋条件下进行隧道的掘進，遇到及需解决的难题较多，显著特点是围岩破碎，极易坍塌。且浅埋隧道段的另一个显著特点是上覆土层薄，由于收敛或是坍塌造成的围岩损失而引起的地面沉降明显，甚至冒顶，对周边环境的不利影响很大。因此，为了确保隧道安全掘进及减少对周边环境的影响，对开挖掘进、支护衬砌、排水注浆方法提出了更高的要求。所以，如何有效控制浅埋隧道施工对围岩的扰动，避免诱发围岩坍塌及地面严重沉降变形，成为浅埋隧道设计与施工研究的重点、难点和热点问题。 1 浅埋隧道与深埋隧道的划分 浅埋及深埋隧道的划分通常是以其上覆土层能否形成“自然平衡压力拱”（以下称平衡拱）为界，顶上覆土层厚度小于形成自然平衡压力拱所需高度值时，即为浅埋隧道。国内在设计及施工时通常按经验做出概略的估算，这个深度通常为2～2.5倍的坍方平均高度值，即： Hp=（2～2.5）hq（1） 式中：Hp为深-浅埋隧道分界的上覆土层厚度，单位米；hq为坍方平均高度，单位米。 当隧道上覆盖土层厚度H≥Hp时为深埋，H 由图1可得，在普氏理论下，形成自然平衡拱时平衡拱跨径B，平衡拱的矢高H（算至硐室顶）计算式见式（2）、式（3）： 式中：B—自然平衡拱的跨径；H—平衡拱矢高；a—峒室掘进时宽度的一半；h为峒室掘进时的高度，φ—硐室处土体内摩擦角；f0—体现围岩强度坚固性系数，或称为似摩擦角因数。 按式（2）、式（3）可计算得平衡拱跨径B，平衡拱的矢高H。同时，大量的施工实践表明，在按式（3）计算得到H值小于硐室的上覆土厚度H′，但H′不大于2H时，通常不能形成平衡拱，在不对围岩实施支护的情况下，硐室上覆土体通常产生坍塌，且持续坍塌直至冒顶。 所以在浅埋隧道开挖时，通过进行方案调整优化峒室掘进半宽a值和掘进高度h，使平衡拱矢高H小于0.5H′，从而隧道上覆土体可形成平衡拱，在隧道初支仅能满足支承平衡拱下土体重量即可保证隧道围岩的稳定，确保围岩处于较佳的安全状态下，且初支成本大幅降低。 2 引起浅埋隧道塌陷的其它因素分析 2.1 水文地质条件等因素的影响 以往的施工实践表明，虽然有些浅埋隧道按式（3）计算所得的平衡拱矢高小于0.5 H′，但隧道却时常出现坍塌冒顶的事故。 以上浅埋隧道的地质勘察及原因分析资料表明，通常地表水大量渗入隧道围岩，导致围岩含水量非常大。我们知道，围岩含水量的增大不仅能使围岩土体间的粘结力大幅降低，甚至完全失去。且含水量的增加，也严重降低了岩土的强度值。而普氏理论成立及算式计算的基础为正常状态下岩体间的粘结力及围岩的强度值。而含水量的增加使它们大幅降低，故普氏理论不再适用。 所以在进行浅埋隧道施工前，对地质情况进行勘察，尽量截排地表水，和引排地下水，降低围岩含水量，增强围岩的自稳定性。 2.2 施工工艺及操作方面的原因 即使地质水文条件较好，也满足普氏理论下形成平衡拱的要求，但还是时常出现浅埋隧道坍塌冒顶的事故。经对多处冒顶隧道的施工掘进及支护过程进行了仔细观察及研究，发现存在如下导致坍塌冒顶事故的人为因素： ①施工时采取大进尺及强爆破。通常在浅埋及围岩破碎的情况下，要求短进尺、弱爆破。但上述隧道施工时，施工队了为赶进度，采用大进尺，同时也伴随装药量增加的强爆破。虽在合适条件下自然平衡拱形成了，但围岩破碎，其平衡状态非常脆弱，在大进尺及强爆破振动的影响下，将脆弱的平衡打破，自然也就发生坍塌现象。 ②施工时支护不及时，衬砌不紧跟。部分隧道施工时，在浅埋段隧道掘进后，初期支护不及时跟进，或是衬砌不紧跟，已经稳定的围岩在自然因素及施工活动的扰动下，发生松动，且支护及衬砌跟进不及时，隧道现有防护结构不能承担围岩压力而出现坍塌。 ③施工时对超前地质勘探不重视，或是根本不进行超前勘探，而是按此前的施工方法及支护手段一味向前施工，当地质及水文条件出现重大变化时，不及时进行施工方法及支护的调整，从而出现隧道坍塌现象。 3 浅埋隧道各种施工工艺及方法的研究 在铁路、公路的建设中常常遇到浅埋隧道。因其特有地质特性，极易出现隧道坍塌现象，故有必要系统性对浅埋隧道的各种施工工法的优缺点进行分析及研究，解决施工问题。确保施工快速、安全、优质的进行，提高经济效益。 基于浅埋隧道的特有性质，目前发展了一系列适合浅埋隧道的施工工艺及方法。常有的方法明挖法、盖挖法、暗挖法和盾构法等，其优缺点和问题如下。 3.1 明挖法 明挖法，指的是将隧道处上覆土体全部清除，然后进行洞身、洞门修建，最后再回填的施工方法。 明挖法具有施工简单、快速、适用性强，因清除了拱顶覆土，不存隧道顶坍塌，故安全较高，在一定条件下成本较低等优点。 但明挖法受外界气象条件的影响较大，施工对地面环境的影响较大。如果地形条件和地质条件不利，深基坑防护工程量大，及地面工程范围内的建筑物和地下管线需拆迁的较多，则施工成本急剧上升，故相对其它施工方法，其对外界条件的要求较高，通常能够采用明挖法的浅埋隧道并不多。 3.2 盖挖法 盖挖法是先盖后挖，先施做地表的临时路面或是结构顶板，使路面维持交通畅通后再进行地下其它结构施工的一种新型施工方法。多用于隧道工程需要穿越公路、市政道路或是其它建筑的情况下。 盖挖法施工的优点是：顶板结构作为保持交通的路面的同时作为基坑的支撑，节省了临时支撑的工程量，减少了道路占用时间，对地面的干扰相对较小，同时受气候的影响也较小。也避免了隧道顶坍塌的风险。 其缺点是：施工出土不方便，施工工序较为复杂，工效低、速度慢，且成本较高。 因其存在上述储多缺点，在施工时主要用于较大型的城市地下结构的施工，对于线状的铁路、公路隧道而言，采用盖挖法的适用性不强。 3.3 盾构法 盾构法为采用盾构机作为主要的施工机械进行地面下隧道挖掘的一种新工艺。 盾构法具有安全性好、效率高、危害小、环境影响小等优点。 但盾构施工法具有重复利用率低、施工复杂、适用性受限、工作条件差、地表变形不易控制等缺点。 盾构法用于较长大地下隧道在经济上节约的，但如果仅为了某一小段浅埋隧道而采用盾构法施工，是非常不经济。所以不存在因是浅埋隧道而特意采用盾构法施工的可能，故盾构法施工浅埋隧道不存在现实意义。 3.4 浅埋暗挖法 浅埋暗挖法又名矿山法，浅埋暗挖法是浅埋隧道施工中最为传统的，也是用得最为广泛的。该法为在软弱围岩地段进行浅隧道施工时，首先进行围岩的地质加固，以控制地表的沉降为施工重点，采用型钢拱架和锚喷混凝土对围岩进行初期支护。由初期支护及复合式衬砌承受所有围岩的基本荷载，而不考虑围岩的自承能力。二衬仅作为安全储备，共同承担特殊荷载。浅埋暗挖法的施工工法主要来源于“新奥法”，比如初期支护的主要手段是锚喷；尽量减少施工活动对围岩的扰动；锚喷等初支结构紧贴围岩；采用监控量测反馈指导施工等。故施工遵循“新奥法”原则，按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”方针进行。 浅埋暗挖的优点：开挖前对地层进行了加固，促进了自然平衡拱的形成及增强了平衡拱的承载能力；初支及时跟进，初支结构与围岩密贴，具有一定柔性，封闭性好，结构样式灵活多变；施工方法对地面建筑、道路及地下管线的影响小，扰民少。施工受外界环境因素的影响小，故为浅埋隧道采用最多的一种施工工法。 缺点是：施工速度慢，机械化程度低，工人劳动强度高，质量控制难度大等。 4 浅埋暗挖法的核心技术 在进行某隧道浅埋段施工时，根据现场土质情况、隧道埋深、隧道断面形式及地表建筑物情况，决定采用浅埋暗挖法施工。施工时按浅埋暗挖法“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”原则结合地质情况制定适当宜的开挖步骤和支护措施，严格根据监控量测数据确定及调整支护参数，以确保暗挖施工和周边环境的安全。 管超前：围岩破碎，土质含水量高，自稳能力差，本项目采取超前大管棚作为洞口浅埋辅助施工措施，通过管棚和注浆来稳固地层，防止拱部坍塌。超前大管棚支护采用外径108mm，壁6mm的热轧无缝钢管，环向布置间距为45cm，长度为30m，共布置48根，倾角1～3°，在拱部180°范围内布置，进洞后采用超前小导管注浆支护。 严注浆：超前大管棚及小导管支护后，立即压注纯水泥漿或化学浆液填充围岩空隙，使隧壁形成具有一定强度的保护作用的壳体，以增强围岩自稳能力，确保安全。 短开挖：该隧为双线铁路隧道，开挖断面较大、覆盖层薄，采用普氏理论计算结果表明，台阶法不能形成自然平衡拱。最终决定采用上、下断面侧壁导坑分部开挖法（CD法）进行施工，采CD法分部开挖，相当于减少了普氏理论中a、h值，从而使围岩在现有覆土厚度下能够形成平衡拱。以机械和人工风镐开挖为主，松动爆破为辅，每循环进尺0.8m，尽量减少对围岩的扰动。 强支护：在围岩松散，平衡拱下方土体的重量荷载需由初期支护结构承担，故初支需强大且牢固，隧道设4.5m锚杆，间距1.5m梅花形布置，I22a工字钢拱架每60cm设一根，拱架间设间距1m的？准18连接钢筋，钢拱架每个拱脚处设2根4.5m长？准28锁脚锚杆，。隧道全断面喷射25cm厚C20混凝土，挂？准8@15cm×15cm钢筋网。 快封闭：为有效控制围岩松驰，仰拱紧跟。设置适时临时支撑，以使初期支护尽快形成封闭受力结构，并为衬砌模板台车轨道的铺设提供条件，及时进行衬砌施工。 勤量测：结构承受荷载情况，最终都表现为变形。按照规定加强进行监控量测，设置各部位的变形警戒值，掌握隧道各部位的施工动态以调整施工参数。根据现场地质条件、围岩类别、跨度、埋深、开挖方法和支护类型等综合确定地质与初期支护观察、地表沉降、拱顶下沉、隧洞净空收敛等量测作为本段浅埋隧道监控量测项目。通过监控量测，为判断围岩稳定性，支护、衬砌的可靠性，二次衬砌合理施作时间提供依据，指导日常施工管理，确保浅埋暗挖法施工的顺利进行。 5 结束语 该隧道浅埋段的施工设计，为今后大断面浅埋隧道的施工积累了经验。施工时要尽可能创造条件，以使围岩形成普氏理论的自然平衡压力拱，以减少初支所承受的围岩荷载，确保施工安全。同时加强监控量测，及时掌握围岩和支护结构的动态情况，调整施工工艺及支护参数，增强施工安全性和提高隧道的长期安全稳定性。 参考文献： [1]铁道部第二工程局.铁路浅埋隧道施工技术[M].山西建筑，2007（36）. [2]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003，11. [3]张玉印.浅埋隧道施工方法和措施探讨[M].中国科技纵横，2014（23）. |
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